数字摄影测量学讲义

数字摄影测量学教案西安科技大学 测量工程系 第一篇 摄影测量基础第一章绪论主要内容：摄影测量学的定义，摄影测量学的分类，摄影测量要解决的基本问题，航空摄影测量的成图方法，摄影测量的成图作业工序，摄影测量的发展历程。重点：摄影测量学的定义、分类，摄影测量要解决的基本问题，航空摄影测量测图方法，摄影测量的发展历程。难点：学时安排：授课 2，实验 0。一、摄影测量学：是对研究的对象进行摄影，根据所获得的构像信息，从几何方面和物理方面加以分析研究，从而对所摄对象的本质提供各种资料的一门学科。二、分类：(一)、按研究对象：1、地形摄影测量：研究的对象是地区表面的形态，以物体与构像之间的几何关系为基础，最终根据摄影像片测绘出摄影区域的地形图。2、非地形摄影测量一般是指近景摄影测量，顾名思义，研究的对象在体积和面积上较小，摄影机到摄影目标的距离较近，一般小于300m，测量的精度相应地要求较高。基本理论也是根据物体与构像之间的几何关系，但在处理技术上有着其特殊性。测量成果乃是表示研究对象的一系列特征点的三维坐标值，即研究对象的数字模型可绘制所摄物体的立面图、平面图和显示立体形态的等值图。(二)、按摄影站的位置：1、航天摄影测量 ：利用航天器和人造卫星、高空飞机进行摄影。2、航空摄影测量：指的是地形摄影测量，从航摄飞机上对地面进行摄影，目的在于测绘地形图。3、地面摄影测量：包括地面立体摄影测量和近景摄影测量。前者在测绘特殊地区的地形图时常采用，后者是对科学技术专题科目进行研究时采用。4、水中摄影测量是将摄影机置于水中，对水下地表进行摄影以绘制水下地形图，这属于双介质摄影测量。三、摄影测量要解决的基本问题：将中心投影的像片转换为正射投影的地形图。四、航空摄影测量绘制地形图的方法：1、综合法：是摄影测量和地面地形测量相结合的测图方法。地面点的平面位置应用摄影测量方法以单张航摄像片为测图单元来解求，而点位高程或地貌在野外实地测定。这种方法适用于大比例尺平坦地区的测图，尤其是对高程精度要求很高而航测方法难以达到的情况下，综合法测图能得出满意的成果。2、分工法(微分法)：待求点的平面位置和高程虽都是应用摄影测量方法，但却是分别测定的。这种测图方法的理论和为此而设计的仪器，当时是针对测绘比例尺为1：250001：50000地形图的，在测图方法的原理上带有近似性。该方法现以淘汰不用了。3、全能法：是以摄影过程的几何反转来建立摄区的立体模型，借助地区立体模型的量测以代替地面地形测量，一次完成点位高程和平面位置的测图。五、航空摄影测量作业阶段：1、航空摄影：在航摄飞机上安装航空摄影机，从空中对测区地面作有计划的摄影，以取得适合航测制图要求的航摄像片。2、航测外业：在野外实地进行像片联测和判读调绘。像片联测的目的是利用地面控制点把航摄像片与地面联系起来；像片的判读调绘是在像片上补绘未反映出的地物、地类界等，并搜集地图上必需有的地名、注记等地图元素。3、航测内业：依据航摄像片和航测外业成果在室内专用的航测仪器上测绘地形图。六、航空摄影测量的发展阶段：1、模拟摄影测量：20世纪初，由维也纳军事地理研究所制成了“立体自动测图仪”，后来由德国卡尔蔡司厂进一步发展，成功地制造了实用的“立体自动测图仪”(stereoautograph)。经过半个多世纪的发展，到6070年代，这种类型的仪器发展到了顶峰。由于这些仪器均采用光学投影器或机械投影器或光学-机械投影器“模拟”摄影过程，用它们交会被摄物体的空间位置，所以称其为“模拟摄影测量仪器”。著名摄影测量学者UV Helava于1957年在他的论文中谈到：“能够用来解决摄影测量主要问题的现有的全部的摄影测量测图仪，实际上都是以同样的原理为基础的，这个原理可以称为模拟的原理”。这一发展时期也被称为“模拟摄影测量时代”。2、解析摄影测量：Helava于1957年提出了摄影测量的一个新的概念，就是“用数字投影代替物理投影”。所谓“物理投影”就是指“光学的、机械的，或光学-机械的”模拟投影。“数字投影”就是利用电子计算机实时地进行共线方程的解算，从而交会被摄物体的空间位置。意大利的OMI公司与美国的Bendix公司合作，于1961年制造出第一台解析测图仪AP/1。这个时期的解析测图仪多数为军用。直到1976年在赫尔辛基召开国际摄影测量学会大会上，由7家厂商展出了8种型号的解析测图仪，解析测图仪才逐步成为摄影测量的主要测图仪。到80年代，解析测图仪的发展更为迅速。它不再是一种专门由国际上一些大的摄影测量仪器公司生产的仪器，国内也有生产。3、数字摄影测量：数字摄影测量的发展起源于摄影测量自动化的实践，即利用相关技术，实现真正的自动化测图。最早涉及到摄影测量自动化的研究可追溯到1930年，但并未付诸实施。直到1950年，由美国工程兵研究发展实验室与Bausch and Lomb光学仪器公司合作研制了第一台自动化摄影测量测图仪。美国于60年代初，研制成功DAMC系统全数字自动化测图系统。武汉测绘科技大学王之卓教授于1978年提出了发展全数字自动化测图系统的设想与方案，并于1985年完成了全数字自动化测图软件系统WUDAMS。因此，数字摄影测量是摄影测量自动化的必然产物。随着计算机技术及其应用的发展以及数字图像处理、模式识别、人工智能、专家系统以及计算机视觉等学科的不断发展，数字摄影测量的内涵已远远超过了传统摄影测量的范围，现已被公认为摄影测量的第三个发展阶段。数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别在于：它处理的原始信息不仅可以是像片，更主要的是数字影像或数字化影像；它最终是以计算机视觉代替人眼的立体观测，因而它所使用的仪器最终将只是通用计算机及其相应外部设备。七、作业：1、何谓摄影测量学？2、摄影测量学要解决的基本问题是什么？3、航空摄影测量的测图方法有哪几种？第二章摄影与空中摄影主要内容：物镜的特性、量测摄影机的特征及景深和超焦点距离，感光材料的特性及黑白感光材料的摄影处理，空中摄影的实施及彩色摄影的基本知识。重点：物镜的特性、量测摄影机的特征及景深和超焦点距离。难点：量测摄影机的特征及景深和超焦点距离学时安排：授课 8，实验 6。2-1摄影机概述摄影机：一、摄影物镜：作用：聚集所摄物体发射的光线，使在像框平面上取得亮度较大的清晰影像。单透镜像差：包括球面像差、慧形像差、像散、像场弯曲、畸变和色差。图2.1 单透镜像差1、球面像差：是指在光轴上一物点发出的单色光线，经透镜后，通过透镜中心部分的光线与通过透镜边缘部分的光线不能相交于一点，而是在像面上形成一个模糊的光斑。这种构像误差显然是由于透镜的球面所引起的，所以称为球面像差。凸透镜和凹透镜的球面像差的方向相反，故可用适当地组合凸透镜和凹透镜的方法来消除球面像差。2、彗形像差：与球面像差相类似，这种像差是由于发光的物点不在主光轴上，而是处于离开主光轴的位置上，则发出的光线通过透镜各部分以后，在像面上构成的影像不重合于一点，而是一些从小到大彼此重叠的圆圈，结果使点状光源的影像变成一个彗星形状的光斑，这样的像差称为彗形像差。物点离光轴越远，则彗形像差越严重。彗形像差修正也是采用球面像差的修正方法。同时也可借助光圈，限制透镜边缘部分的光线通过，使之缩小。3、像散：这种像差是在于非近轴的物点发出的光束，即与透镜主光轴成某一角度的倾斜光束，通过透镜后，不是会聚于一个像点，而是形成两条焦线F1和F2，前者是由各径向光束形成的焦点连线，后者是由各子午光束形成的焦点连线。这两条焦线相互垂直，它们之间的距离在主光轴上的投影长度称为像散差。正透镜和负透镜的像散情况是相反的。因此，像散也可以利用正透镜和负透镜并选择其曲率半径 、折射率、厚度以及间距等加以适当组合的办法来修正。像散是最难消除的一种像差，只有当其他像差都消除得相当好的时候，再精密地修正像散，才有较好的效果。4、像场弯曲：一个透镜组在消除了球面像差、彗形像差以及像散以后，两个像面可以重合在一个新曲面上。在这曲面上，成像情况最好，但由于是曲面，故在摄影上实用意义不大。这一缺陷我们称为像场弯曲。像场弯曲随着像散增加而增加，并与入射光线与主光轴的倾角有关；但像场弯曲与物距无关。修正像散和像场弯曲的物镜称为正光物镜。5、畸变：它与其他几种像差不同，其他像差所表现的都是影像产生模糊不清，而畸变所表现的却是使直线物体变成了弯曲影像，也应是说，像与物不相似，这种现象称为畸变。所谓畸变差应是指实际像点到主光轴的距离与理想像点到主光轴的距离之差。畸变与光圈设置的位置有关。如果光圈置在透镜的物方，则正方形网格的影像变成桶形，称负畸变；反之，光圈置于透镜之像方，则变成枕形，称正畸变。6、色差：由物点发出的一束白色光线，通过透镜以后，在检影毛玻璃上构像不是一个清晰的点，而是带有彩色圆环的光斑，这种现象称为色差。色差是由于玻璃对各种波长光线的折射率不同所引起的。正负透镜的色差情况是相反的，利用折射率大的火石玻璃制的负透镜与折射率小的冕玻璃制的正透镜组合起来，可以使色差修正到实际上感觉不到的程度。为了消除或减小像差，摄影物镜都是由几个透镜组合而成的一个光学系。(主)光轴：通过诸透镜光轴的轴。主平面(H、H)：平行光轴的投射光线经物镜后产生折射，将投射光线与折线光线分别延长与反向延长得交点h，过h作垂直光轴的平面H。主点(s、s)：主平面与光轴的交点。焦点(F、F)：平行光轴的投射光线经物镜后产生折射，该折射线与光轴的交点。焦距(f、f)：主点到焦点的距离。焦面：过焦点垂直光轴的平面。注：以上概念除光轴外都存在像方和物方两个概念。节点(K、K)：投射光线与成像光线与光轴的交角u和u相等时，投射光线与成像光线与光轴的交点。当物空间和像空间的介质相同时，一对节点正好与一对主点重合。且像方焦距等于物方焦距f = f。综上所述，物镜的特征由物镜的一对主点、一对焦点和一对节点描述。二、物镜的成像公式：高斯公式：(2-1)其中：D为物点A到物方主平面H的距离，称为物距； d为像点a到像方主平面H的距离，称为像距； f为物镜的焦距。牛顿公式：x xf 2(2-2)其中：x和x分别为物点到物方焦点和像点到像方焦点的距离。所以：D = xfd xf三、光圈和光圈号数为了限制边缘光线进入，在物镜透镜组中间设置一个孔径光阑，即所谓光圈。光圈的作用为了改善像差引起的影像变形，通常光圈置于物镜透镜组之间，此时进入物镜的光束直径并不等于光圈的实际孔径，将此时的光束直径称为有效孔径。平行光束经物镜成像于焦面上，单位面积上的照度与孔径面积成正比，即与有效孔径的平方成正比。此外，在进入物镜的光通量不变时，物镜的焦距愈大，承受光通量的面积随焦距的平方成正比地增大，则单位面积上影像的照度将随焦距的平方成反比地减弱。(见图2.2)。因此，取有效孔径与物镜焦距之比作为说明影像照度的因数，称为相对孔径(/f )。由于相对孔径大都小于1，改用相对孔径的倒数来说明进入物镜的光通量较为方便。相对孔径的倒数称为光圈号数，以k =/f表示。构像的亮度与相对孔径成正比，与光圈号数成反比。摄影时欲在感光材料的单位面积上取得一定值的曝光量H，因曝光量H等于照度E与曝光时间t的乘积，即H = E t，故有：而得如果曝光时间改变一倍，即t2/t1=2，则相应光圈号数之比k2/k1=，应改变倍，因此物镜筒光圈环上标志的光圈号数的排列顺序是以为公比的等级数。光圈号数每改变一档，相应的曝光时间应改变一倍，就能保持相同的曝光量。光圈号数愈大，相应的相对孔径减小，能增强纵深景物影像的清晰度。所以很多相机均为光圈优先。四、景深和超焦点距离用摄影机摄取有限距离景物时，根据构像公式(2-1)，在摄取某一物距为D的物点A时，只有在像距为d时才能得到清晰的像点a。物距大于或小于D的景物如B和C，在像片平面上的构像形成一个模糊的圆圈，称为模糊圆。如果模糊圆的直径小于某一定值时，由于人眼观察的分辨能力有限，这个模糊圆的构像看起来仍然是一个清晰的点。如此，虽然对光于点A，但在远景B和近景C之间这一段间隔内所有景物，在像面上仍可认为获得了清晰的构像。此时，远景与近景之间的纵深距离称为景深(Depth of FieldD.F)。远景的物距称为远景距离D1，近景的物距称为近景距离D2。，得，而代入DB则fDA，可忽略不计，并以代入，则得远景距离：(2-3)同样可得近景距离：(2-4)则景深：D.F=D1D2(2-5)根据景深公式有：1.景深与物距有关。物距越大，景深越大；物距越小，景深越小。与D成正比。2.景深与光圈号数有关。光圈号数越大，景深越大。与k成正比。3.景深与焦距有关。短焦距摄影机比长焦距摄影机所得的景深大。与f成反比。超焦点距离：当物镜向无限远物体对光时，不仅远处的物体构象清晰，而且在离开物镜不小于某一距离H的所有物体，其构象都很清晰，这个距离H就称为超焦点距离或称为无限远起点。根据公式(2-4)令D2=H，D=，代入上式则得：(2-6)如以超焦点距离H为参数，远景和近景距离可用另一种形式的公式表示：(2-7)(2-8)景深公式则为：(2-9)五、像场和像场角视场：将物镜对光于无穷远，在焦面上会看到一个照度不均匀的明亮圆。这个直径为ab的明亮圆的范围称为视场。(看见P.9 Fig.2-6）视场角：物镜的像方主点与视场直径所张的角2。像场：在视场面积内能获得清晰影像的区域。像场角：物镜的像方主点与像场直径所张的角2。六、摄影机快门快门是控制曝光时间的机件，快门从打开到关闭所经历的时间称为曝光时间，或称快门速度。常用的快门有两种形式：中心快门和焦面快门。中心快门：优点是在启闭快门的整个过程中，感光材料全像幅同时曝光。缺点是速度不能很快。焦面快门：优点是感光材料各部分的曝光量是相同的，且速度可以很快。缺点是当摄影机与所摄物体有相对运动时，会引起影像的变形和位移。2-2各类摄影机简介摄影机按使用目的一、普通摄影机普通摄影机按所用胶卷代号有120型摄影机和 135型摄影机。120型胶卷为 682，可拍 66的像片12张。135型胶卷为 3.5150，可拍 2436像片 36张。二、量测摄影机这类摄影机的物镜应具有良好的光学特性，要求畸变差小、分辨率高和透光力强；且它的机械结构要稳定可靠；应具备摄影过程的高度自动化。相对于非量测摄影机，量测摄影机应具备二个特征：摄影机轴：物镜后节点作框标平面的垂线。像主点：摄影机轴在框标平面上的垂足。摄影机主距(像片主距)：物镜后节点到像主点之间的垂距。航空摄影机的焦距是物镜主(节)点到焦点间的距离，是光学概念。航空摄影机的主距是主(节)点到像主点间的距离，考虑到畸变差等因素，二者间存在微小差值，且主距是个几何概念。摄影机内方位元素：摄影机主距f和像主点的框标坐标x0、y0。摄影机内方位元素确定了摄影机的物镜相对于框标架的关系，也就是确定了摄影时物方空间诸物点经物镜到构像点的诸投射光线综合组成的摄影光线束。此外，因航片面积大(1818、2323甚至3030)，又是高速下摄影，所以压平机构也是航空摄影机上的一个重要部件，要求压平精度达到0.01以内。2-3黑白片感光材料感光材料按影像显示的色调可分为：黑白片和有色片两大类。黑白片的影像以黑白灰度来显示所摄物体。有色片上的影像的彩色大致与所摄物体天然色接近。红外片是利用物体发射的红外线对感光材料感光来显示物体。以黑白色调显示影像的称为黑白红外片，以某种彩色显示影像的称为有色红外片(假彩色)。感光材料主要由片基和涂于其上的感光乳剂层组成。因此，感光材料按片基材料分有：硬片(玻璃)、软片(透明塑料)和相纸(纸)。一、黑白感光材料的结构黑白片感光材料有黑白负性感光材料和黑白正性感光材料。负性感光材料也叫底片，用于摄影机对景物进行摄影。曝光并经摄影处理后，影像的黑白灰度恰好与所摄物体明暗情况相反。正性感光材料多为相纸，影像的黑白灰度正好与所摄物体明暗相一致。黑白负片感光材料的结构看见P.13 Fig.2-10。感光材料的片基为感光材料的基础，是感光乳剂层的支持体。乳剂层是感光材料获得景物影像的感光层。感光乳剂的成分主要是卤化银和明胶。卤化银二、感光材料的感光特性曲线设光线以光通量为F0投射于某一负片变黑部分，而透过变黑部分的光通量为F，则T=F/F0T为变黑部分的透光率或透明度。透光率或透明度的倒数称为阻光率O，即：O=F0/F摄影学中用D=lgO或D=lg1/T来表示感光材料的变黑程度，称为光学密度，简称密度、黑度或灰度。感光材料特性曲线如P.15 Fig.2-11。横轴表示曝光量的对数值lgH，纵轴表示相应的灰度D=lgO。整条曲线可分成以下各部分：(1)直线部分ab，平行于横轴，表示不管曝光与否感光材料所固有存在的最低灰度D0，称为灰雾或朦雾。(2)曝光不足部分bc，曲线，曝光量增加而密度反映不够且不一致。景物影像的黑白层次表现为较大的、不成比例的压缩，景物明暗的对比与景物密度的对比不相对应，色调失真。此为较暗的景物所表现的失真。(3)曝光正确部分cd，直线，曝光量的增加与相应的灰度变化成直线比例关系。此时诸景物影像相互间的灰度就能正确反映出诸景物的明暗情况。cd间的曝光量范围L=lgHd-lgHc称为感光材料的宽容度或摄影宽度。景物反差：景物最大亮度与最小亮度之比。即，或用对数形式为 。(曝光量与相应亮度对应。)影像反差：影像最大密度与最小密度之差。即D=D最大-D最小。反差系数：特性曲线直线部分某两点的密度差与其所对应的曝光量对数差之比。即：故感光材料按反差系数分(4)曝光过度部分de，曲线，类同于bc曲线部分，却因曝光量过度引起影像的黑白灰度与曝光量不成比例，色调失真。为亮度大的景物所表现的失真。(5)影像反转部分ef，曲线，表现曝光量增大，相应的密度反而降低。位于e的D最大的数值代表该感光材料在本次摄影处理条件下的最大密度数值。三、黑白负性感光材料的感光性能(一)感光材料的光谱感光带增感就是增强乳剂层对光线的感受能力。增感有化学增感和光学增感。见图2.3。化学增感目的：使乳剂中卤化银对原感光范围增强感光性能。光学增感目的：使乳剂中卤化银扩大感光的光谱范围。曲线P表示未增感乳剂的光谱感光性；曲线Q表示化学增感后乳剂的光谱感光性；曲线R表示光学增感后乳剂的光谱感光性。黑白负性感光材料按光谱的感光带可分为：1.色盲(盲色)片(250-500)：没有加增感染料，只感受波长500纳米以下的蓝紫光。2.正色片(300-580)：感受到波长 580纳米，但在500 525纳米部分有一下降。3.分色片(300-640)：感受 640纳米以内的可见光。4.全色片(300-700)：对 700纳米以下的可见光都感受，但在500 550纳米处有一下降。5.全红外片(至730)及红外片(至840)。能对光谱的近红外部分感光。(看见P.17 F.2-13)(二)黑白负性感光材料的感光度感光度：感光材料对光化作用的敏感程度。俗称感光速度。感光度与曝光量成反比，即感光度愈高的感光材料，欲获得一定光学密度所需的曝光量愈少：S=K/HD。其中HD表示在一定摄影处理下取得某一定光学密度D所需的曝光量；K为任意常数；S为感光材料的感光度。感光度常见的系统有德国工业标准(DIN)、美国国家标准(ASA)、国际标准(ISO)和我国国家标准(GB2923-82)。我国地面使用的黑白负性感光材料所采用的标准(GB)与德国工业标准(DIN)相同：D0为灰雾密度(包括片基密度)，这是认为D=D0+0.1这个光学密度是摄影的最低有效密度。国际标准(ISO)和美国国家标准(ASA)：如果某感光材料要取得D=D0+0.1密度时所需的曝光量HD=0.004lxs(勒克斯秒)，则：SGB=24；而SISO=200。SGB按 3增减(lg2=0.3)，SISO按 100增减。我国航空摄影所用黑白负性感光材料的感光度的定义与此不同。(看见P.18)2-4黑白片摄影处理过程摄影处理包括：显影(develop)、定影(fix)和水洗和干燥等步骤。一、感光材料的显影处理目的：将曝光后感光材料乳剂层中的潜像经显影液的还原作用转换成可见的影像。(一)显影液成分：显影剂、促进剂、保护剂和抑制剂。1、显影剂：显影剂是一种还原剂，是显影液中的主要成分，其作用是使感光乳剂层中的曝光的卤化银还原为金属银，使景物潜像成为可见的银像。其还原能力几十亿倍于光化作用。曝光：显影：综合两式得：作为显影剂的还原剂必须还原能力适中，具有良好的选择还原性，能溶解于水且它本身及其氧化物不具有毒性。常用的显影剂有米吐尔(显影速度快，影像反差小，阴暗部分细节显出好，宜作负片显影的主要显影剂)、几奴尼(在弱碱中显影速度慢，但在强碱性溶液中，有较快的显影速度，同强碱及高浓度溴化钾一起，可配成高反差及快速显影液)和菲尼酮(显影速度快，单独使用时，影像密度和反差都小。与几奴尼合用，可配制各种影调的显影液)等。2、保护剂：其作用是减缓显影液被空气氧化。常用的保护剂为亚硫酸钠。3、促进剂：除少娄显影剂(如米吐尔)在中性溶液中具有足够的显影能力外，一般显影剂都需要在碱性溶液中才有足够的显影能力。故碱作为促进剂。常用的促进剂为碳酸钠Na2CO3。一般而言，显影液的ph值值越大，显影作用就越强，影像的颗粒粗、反差大。4、抑制剂：也就是防灰雾剂，在大多数显影液内都要加这种药剂。其主要功用是防止灰雾的产生，改善显影液的选择性能。常用的抑制剂是溴化钾(KBr)。(二)显影液的配方和显影处理显影液按显影速度分为快速显影液、普通显影液和微粒显影液。一般感光材料的显影处理采用普通显影液和微粒显影液。配方见P.19表2-1。快速显影液显影时间为几秒钟到一分钟，甚至可到一秒钟之内。但只有使用耐高温(50 60)的特殊感光材料，才能做到这样的快速显影。因此显影速度的加快，不仅是由于显影液的成分关系，而且主要是由于显影液温度升高的作用。普通显影液按照显影后影像的反差系数可分为：硬性、中性和软性三种。正常显影温度为18 20，显影时间约 6 8min。要加快显影速度，可以在普通显影液中加入苛性钠。微粒显影液的显影速度较慢，但能取得颗粒细腻的影像。它的含碱量少，ph值值小。显影时间为 10 20min，甚至更长一些。显影时应注意初显时间，即感光片浸入显影液后到开始出现影像的这段时间，在正常显影下应为 30 40s。二、感光材料的定影处理目的：溶解去感光材料上显影后残留的卤化银感光物质，使其不再具有感光性能，稳定显影后的影像。(一)定影液的成分：银盐溶解剂、中和剂、稳定剂和坚膜剂。1、银盐溶解剂：银盐溶解剂是定影液的主要作用成分，用以溶解去显影后感光材料上残余的感光银盐。最常用的是硫代硫酸钠，俗称大苏打。其化学作用为：AgBr + Na2S2O3 NaBr + NaAgS2O3NaAgS2O3 + Na2S2O3 Na3Ag(S2O3)2该反应是连续进行的，随着定影时间的延长，又可产生下列可溶性络盐：2 AgBr + 3Na2S2O3 Na4Ag2(S2O3)3+ 2NaBr3 AgBr + 4Na2S2O3 Na5Ag3(S2O3)4+ 3NaBrNaAgS2O3为难溶于水的络盐，再与硫代硫酸钠作用生成可溶于水的Na3Ag(S2O3)2。这表示只有在硫代硫酸钠的含量远超过溶解卤化银的需要量时，才能生成可溶于水的络盐。硫代硫酸铵(NH4)2S2O3是很好的银盐溶解剂，但价格贵，所以只用于快速定影液中。由于价格贵，吸湿性大，所以在摄影实践中不直接使用它，而是在硫代硫酸钠溶液中加氯化铵，使之发生复分解作用而获得硫代硫酸铵。氰化钾(KCN)也是很好的银盐溶解剂，但它有剧毒。2、中和剂：由于硫代硫酸钠溶液呈碱性，显影后乳剂层中含有的显影液在定影时仍会继续起显影作用。为此在定影液中加入一定量的酸，使感光材料在转入定影液后能迅速终止显影作用。常用的有硼酸、醋酸等。3、稳定剂：硫代硫酸钠遇酸会分解出硫(硫离作用)。Na2S2O3 + H2SO4 Na2SO4 + SO2 + H2O + S为此在定影液中加入稳定剂，以期起保护硫代硫酸钠的定影作用。常用的稳定剂是亚硫酸钠。在配制定影液时应先将稳定剂亚硫酸钠与中和剂硼酸或醋酸混合后，再倒入到硫代硫酸钠溶液中。4、坚膜剂：感光材料在摄影处理过程中，经显影、定影和随后的水洗，乳剂层内明胶吸水而膨胀，可能导致感光乳剂层部分地从片基上脱落。为防止这种现象发生，在定影液中加入坚膜剂。常用的坚膜剂是钾矾(俗称明矾KAl(SO4)212H2O铬矾KCr(SO4)212H2O。它们必须在酸性溶液中才具有坚膜作用。含钾矾的定影液，ph值值在4 6之间能很好地坚膜，而含铬矾的定影液ph值值须在3 4之间才能很好地坚膜。钾矾的寿命长，较经济，一般配方多采用它；铬矾坚膜能力较强，适宜于高温情况下使用。此外，坚膜剂还有福尔马林，它具有强坚膜作用，而且在碱性溶液中也有坚膜能力。因此福尔马林坚膜定影液可以没有酸，缺点是这种定影液不易保存，故一般都把福尔马林单独配成坚膜液使用。(二)定影液的配方和定影处理配方见P.20。对于负片，感光材料呈透明后，再继续定影一倍时间即可。在新鲜定影液中定影约需 15 20min。三、水洗和干燥(一)水洗目的：洗去乳剂层上大量的硫代硫酸钠和银的络盐。方法1、静水法：将负片或正片放在盛满清水的槽和盆中清洗。一般是最初每隔五分钟换水一次，更换 2 3次水以后，便每隔十分钟换一次，又经 3 4换水后，便可认为水洗完毕。2、流水法：把负片或像片放在一个有水流经过的槽内支清洗。流水速度不可太快。一般负片在流水中水洗的时间不应少于十五分钟，像片水洗的时间不得少于三十分钟。(二)干燥负片或像片经过水洗以后，必须放在空气流通而且清洁的地方或者专门的干燥架上晾干。晾干前，应把负片或像片上的水滴用易吸水的柔软体(如海棉、泡沫塑料或毛巾等)吸去，以免在像片上产生水渍，同时也可避免像片因不均匀干燥所造成的局部变形。干燥地点的清晰度和湿度对干燥速度有决定性的影响。在相对湿度很大的空气里，象片是不易干燥的。如果湿度太小而温度太高，乳剂表面会很快形成一层干燥薄膜，致使乳剂层内部的水分难以蒸发出来，所以也不利于干燥。一般的负片和像片只要在比较干燥的房间，常温下晾干就可以了。2-5空中摄影空中摄影是使用航空摄影机进行的。航空摄影机按摄影机主距的长度分为短焦距(300)航空摄影机。航空摄影机的像幅都采用正方形。像幅有：1818、2323及 3030。早期 1818的像幅较多，现基本采用 2323的像幅。航空摄影机按像场角可分为窄角(250)、常角(75250)、宽角(100275)和特宽角(1202100)航空摄影机。航空摄影机主距、像幅和像场角三者的关系：或(如图2.4)航空摄影是航测生产的一部分，为了取得地形摄影测量的原始资料，需要对测区进行有计划的摄影。空中摄影应当这样进行，使所得的一系列像片相互间有一定的联系，并且没有漏洞地覆盖着整个指定面积。为了使航摄像片条例以后航测加工的需要，所有的航摄像片都要求能达到规定的重叠度通常航向为60%，旁向为30%。为了保证达到上述要求，空中摄影时，所有前后相邻的航摄像片都要按一定的时间间隔进行曝光；而对于保持旁向重叠，则要求能精确地进入相邻航线，并使航线保持直线而且相互平行。这些都是属于飞行方面的质量要求。对于影像质量方面有以下几点要求：1、航摄像片上所有地面景物的细节必须充分地显露，并具有适当的密度；2、相邻地物的影像和同一地物的细节影像都应具有明显的、眼睛能觉察到的反差；3、亮度相同的物体，不论它构像于像幅中的任何位置，都应获得相同的色调和密度。为此，摄影物镜的分解力必须很高，像差要校正得好，特别是畸变差，应使它降低到最小值；另外物镜的透光力要强、焦面照度要分布均匀、光学影像反差的能力要大；安放航摄仪的座架应具有良好的减震作用，以防止由于飞机的震动而引起不许可的影像模糊；航摄仪的压平系统应使航摄软片在曝光瞬间完全吻合于贴附框平面。为了能轻松而方便地操纵航摄仪工作，现代航摄仪都要求能自动化地工作。一、空中摄影前的准备工作(一)航摄分区的划分当航空摄影测量的区域较大和测区内地形较为复杂，需要将测区划分为若干个摄影分区。摄区的原则应照顾到空中摄影领航技术的水平，航线不宜过长；同一摄区内地形要大致类同，可采用同一航空摄影机以相同航高进行摄影，以利于用同一种航测制图方法成图。摄区的分界线通常与图幅的图廓相一致。航摄分区的设计可在较小比例尺的旧图上规划。(二)数据的准备1、摄影比例尺的确定摄影比例尺是指航摄设计中的像片比例尺。它取决于成图比例尺、测图方法和成图的要求精度；另一方面还应考虑到经济性和航摄像片往后的使用可能性。成图比例尺与摄影比例尺关系见下表成图比例尺摄影比例尺1200015000110000150001100001200001100001160001400001250001300001600002、航空摄影机的选择依据成图方法、成图比例尺和地形条件。目前基本上都是采用全能法成图，且为数字摄影测量，故主距的影响可不作重点考虑，主要根据地形条件来选择航空摄影机，要避免空中摄影时产生死角。3、摄影航高的确定在选定了摄影比例尺和航空摄影机之后，就可以计算出摄影航高H=mf。航高也就是航摄飞机在摄影瞬间相对于地面的高度。由于确定航高的起算基准面的不同，航高可分为：(1)相对航高摄影瞬间航摄飞机相对于某一所取基准面的高度，包括：机场航高相对于飞机场的相对航高。摄影航高相对于摄影分区平均高程基准面的设计航高。真实航高相对于某地面点的相对航高。(2)绝对航高相对于平均海水面的航高。绝对航高摄影航高h平均mf(h最大h最小) /2或机场航高绝对航高机场高程 mf(h最大h最小) /2h机场4、航向重叠、旁向重叠和摄影基线航向重叠(p)：沿飞行方向上相邻像片所摄地面的重叠区。旁向重叠(q)：两相邻航带摄区之间的重叠。摄影基线(B)：相邻像片摄影站(投影中心)之间的空间连线。重叠度会受摄影机轴发生微小倾斜和地面起伏的影响，考虑到像片倾斜小于 2和保证摄区最高地面处的航向重叠度不少于53%，像片航向重叠度可参考下式计算：p：60 65%；h：摄区最高点相对于摄区平均高程面的高程；H：摄影航高。旁向重叠与航向重叠类似。6、曝光时间和曝光间隔由于航摄飞机连同航摄仪在曝光时间内相对于地面有相对运动，导致地面点在像片上的影像出现线性模糊。看见P.25 Fig.2-16则式中：，M为成图比例尺分母，m为摄影比例尺分母；W：航摄飞机的地速，单位为h；(1h10000003600s0.0036s)0：图面上允许的线性模糊值，单位为；t最大：允许的最大曝光时间，单位为s。曝光间隔是指航带摄影时相邻像片顺序曝光相隔的时间。用以控制航向重叠。BW（三）航线领航图航线领航图是在空中摄影作业过程中专为领航摄影员导航飞机进入设计的航线和指导空中摄影的专用图。领航图是从现有旧图中选择适当比例尺地图编制的。在领航图上绘出航摄分区、航带和航线中心线的视准标志。如图2.5所示。 (四)航摄软片的准备从领航图上量出摄区的长度LA和宽度LC，则每条航带的像片数摄区的航带数航摄分区的像片总数全摄区的航摄像片总数其中k为安全系数，取k1.2。航摄卷片长为lk，像幅边长为l，则每卷软片的像片数目为n0.9lkl。全摄区需要航摄软片的卷数为二、摄影测量对航空摄影的要求航空摄影成果是航测成图的基本原始资料，其质量的优劣，直接影响成图过程的繁简、成图的工效、成图的经济指标以及成图的精度。因此，摄影测量对航空摄影提出了一系列的质量要求，这些要求包括两个方面，即摄影质量的要求和飞行质量的要求。关于摄影质量的要求前面已叙述，这里着重谈一谈飞行质量的问题。(一)保持航摄比例尺的精度在同一航高进行空中摄影，所得的像片比例尺基本上是一致的。如果相邻航摄像片的比例尺相差太大，则会影响像片的立体观察。为此对保持像片比例尺的精度必须提出一定要求。航摄像片比例尺是由航摄仪焦距和航高决定的，即：。对一架航摄仪而言，焦距是固定的常数，因而航高的变化就会引起像片比例尺的变化。假设航高变化为H，像片比例尺分母的相应变化为，则：以代入得：或写成：为了保证量测精度和不超出仪器结构的许可活动范围，像片比例尺分母的相对误差一般不应超过5%，故航高H的相对误差也不应超过5%。另外，规范还规定同一航线内，最大航高与最小航高之差不应超过50米。分区实际航高与预定航高之差，不应超出预定航高的5%，航高在 1000米以下时，相差不超过 50米。(二)像片重叠度的要求像片重叠度是以像幅边长的百分数表示的。像片重叠部分是保证立体观测和像片连接用的。在航线方向必须有三张相邻像片的公共重叠部分-三度重叠部分(见图2.6中斜线条部分)，以便于摄影测量选定控制点(摄影测量控制点离像片边缘要大于1)，故三度重叠中，第一、三两张像片的重叠不能太少。因为像片极边部分的影像清晰度太差，会影响量测精度，但也不宜过多，过多了，不但浪费软片，而且对测图也不利，最好是60% 65%(对于 2323的像幅为58% 63%)。旁向重叠度要求不大，只需要保证相邻航线的像片之间达到成图所必须的连接，一般情况是30%(2323的像幅为24%)。实际上，由于种种原因，航空摄影并不能保证航向重叠和旁向重叠达到规定的百分数，也就是说，实际所得的航摄成果，存在一定的重叠度误差。根据摄影测量成果的最低要求，规定航向重叠度最小不能小于55%(2323的像幅为53%)，旁向重叠度最小不能小于15%(2323的像幅为12%)。(三)对像片倾斜角的要求航摄仪光轴与通过物镜中心的铅垂线所夹的角(图2.7)称为像片的倾斜角。像片倾斜角将引起像点位移，有时还使仪器在使用上受到限制，另外，像片倾斜角对重叠度也有影响，所以为了航测作业的便利和提高成图的精度，应使倾斜角减少到最低限度。要求像片倾斜角一般应小于2，个别最大不能超过 3。(四)对航线弯曲度的要求航线弯曲度是航线长度L与最大弯曲矢距之比(图2.8)。其值不得超过3%，即：。这个限制是根据内业成图仪器的活动范围规定的。因为航线弯曲太大(超过3%)，则当一段航线的像片安置到仪器上去时，就有可能超过仪器的许可活动范围。(五)对像片旋偏角的要求相邻像片的主点连线与像幅沿航线方向两框标连线之间的夹角(图2.9)称为像片的旋偏角，以表示之。旋偏角是由于空中摄影时，航摄仪定向不准所产生。产生像片旋偏角后，会使重叠度受到影响。一般要求角不超过 6，最大不超过8(不得连续三片)。(六)对航迹的要求航迹是航线在地面上的投影。一般要求航迹应与图幅上下两侧的图廓线平行。但实际飞行结果，航迹往往与图廓线形成一夹角，这个夹角称为航迹角。航迹应尽可能的小。若过大，一则会增加航摄工作量，二则会使以后航测加密控制点和测图工作增加困难。(七)图廓的保证空中摄影时要超出图廓线多摄一部分，一则便于航测成图时接边，二则可避免图廓处产生漏洞。特别要注意紧接摄影区域边界的图幅，要考虑邻接的非摄区图幅在以后测图时因地物特征的变化所造成的接边困难。因此，规范规定：1摄区边界的图廓，航向超出图廓线不少于一条基线，旁向超出图廓线一般不少于整张像片的50%，最少不少于整张像片的30%；大像幅常规飞行，旁向超出图廓线最少不少于整张像片的24%。2、摄区内各分区之间相接时，如航摄方向相同，旁向正常接飞，航向各超出分区线一般不少于一条基线，最少不少于半条基线。航摄方向不同时，基线保证同上，旁向超出分区线一般不少于整张像片的30%，最少不少于整张像片的20%；大像幅一般不少于整张像片的24%，最少不少于整张像片的16%。2-6航空摄影的摄影处理空中摄影曝光后的航摄软片要求即时给予摄影处理，并对空中摄影的质量进行检验。摄影处理工作包括：航摄软片的负片处理、负片晒印正片过程、像片镶辑图的制作、像片索引图复制和空中摄影质量的评定。一、航摄软片的负片处理航摄软片是成卷摄影的，软片长达60m 120m，必须使用专用回转显影器进行摄影处理。二、正片晒印、像片镶辑图和像片索引图外业摄影处理晒印正片的目的是制作像片镶辑图和检查空中摄影的成果质量。航摄卷片晾干后，在每卷软片首端药膜面上注记摄区代号或图幅号码、摄影日期、航空摄影机型号和主距按航带逐片在右上角顺序编号。正片晒印采用接触印晒，经正片摄影处理，得到影像黑白色调与景物明暗相应的航摄像片。在大图板上根据相邻像片重叠部分的构像，将航摄像片按摄影分区或图幅，从左向右、人上向下，贸出像片号码依次叠拼，用图钉固定，称为像片镶辑图。在镶辑图上大致地标出图幅的图廓、注记摄区代号或图号、摄影年月、航摄比例尺等。然后将它复照缩小，得到镶辑图的负片，从而晒印出镶辑复照图(看见P.28 Fig.2-18)，也称为像片索引图。索引图用来检查飞行质量、拟订航测作业计划，并便于索取航摄资料。三、空中摄影质量的评定评定空中摄影质量的标准是根据航测内外业的需要提出的，分为摄影质量的评定和飞行质量的评定两方面。在摄影质量方面主要的是要保证负处上影像清晰，阴暗部分和明亮部分的细部都能分辨清楚，影像应具有正常的密度和反差。在飞行质量方面主要是航线的直线性、航带间的平行性以及航向重叠度和旁向重叠度。决不允许航带叉开，出现漏摄现象，即使再次补摄，也将会使航测工作带来困难。空中摄影的质量直接影响摄影测量的内外业工作量和成果的精度，在空中摄影和摄影处理后，要按规范进行检查并交付空中摄影成果。2-7彩色摄影一、色的基本知识(一)物体的颜色物体分发光体和非发光体两大类。发光体发出的光一般含有多种光谱成分，光谱成分的综合而形成一定的色。光线投射到非发光体的表面将分成吸收光线、反射光线和透射光线三部分。若物体对白色可见光谱成分的所有光具有同样的吸收能力，称为非选择吸收性。如物体对白色可见光谱成分的光具有不同的吸收能力，即对某种光的吸收能力强些，对另一些光的吸收能力弱些，则说该物体具有选择吸收性。根据物体对光的选择吸收性和反射性能的不同，就显现出物体的颜色。非透明体的色取决于物体表面反射光线的光谱成分，透明体在透光观察中则取决于物体透射光线的光谱成分。综上所述，物体的色是随着照射光线的光谱成分和物体对光谱成分固有不变的吸收、反射和透射的能力而定。(二)滤光片滤光片是染成某种颜色的平行平面透明片，属于选择吸收性透明体。随着滤光片染色的不同，对不同波长的光具有特定的吸收或允许透过的性质。光透过滤光片后就会改变原光谱成分。选择使用某种颜色的滤光片，就会取得需要的光谱成分的透射光。滤光片按照光谱透光特性可分为：1、单色滤光片很狭窄的光谱带能透过。2、选择滤光片允许通过的光谱带比单色滤光片要宽些。如彩色分色的红、绿、蓝光谱带滤光片分别允许红、绿、蓝光谱带通过，即属此类。3、补偿滤光片限制短波光谱段透过或部分透过。4、减色滤光片只吸收很狭窄光谱部分的光。(三)人眼观察的光感和色感眼是人们观察外界的视觉器官。物体发出的光线刺激眼球视网膜神经纤维末梢产生光感和色感。视神经锥体视神经细胞二、色的形成白色光的七色光谱依据人眼的色感可概括地分成三个光谱段：蓝、绿和红，称为主色或原色；而其余各色认为是三原色按成分不同程度的光学综合而得的间色。白蓝绿红绿红黄蓝红品红绿蓝青因而：蓝黄白黄白蓝黄品红红绿品红白品红白绿品红青蓝红青白 青白红 黄青绿上列诸式的光学混合如图2-22和图2.10所示。补助主色(光)混合组成白色(光)的那个色(光)称为补色(光)。有时将主色(光)和其补色(光)互称为互补色(光)。(一)加色法今将三原色：蓝、绿和红(光)按同等比例投影到白色承影面上，则承影面的反射光线将会感觉为白色(图2-22)。如将二原色(光)同等比例光学混合，则感觉出的光的颜色是第三原色的补色。显然，改变三原色的混合比例将会得到不同色列的间色(光)。这种利用原色混合而得出间色的方法称为加法成色。(二)减色法从互补色(光)混合相加得白色(光)的概念，也可以看成补色(光)是由白光中减去主色(光)而取得。当白光通过黄色滤光片后得到黄色的透射光，这可以认为是黄色滤光片具有吸收黄色(光)本能的缘故。同样品红色滤光片具有吸收绿色(光)的性能，青色滤光片具有吸收红色(光)的性能。这种性能可用图2-23表示。这种利用吸收光谱带某些成分而显色的方法称为减法成色。现今的多层彩色感光材料就是利用减色法原理设计的。 (三)多层彩色感光材料多层彩色片是按照减色法原理制作的，有三层感光乳剂。感光乳剂除卤化银为感光物质外，还加有不同的偶合剂或称成色剂。偶合剂本身是透明无色的，但在彩色显影过程中能与彩色显影液中氧化物起化学作用，生成为彩色染料，附着在显影出的金属银处使影像着色。偶合剂经显影处理后的颜色却正好是该感光乳剂层感光光谱段的补色。多层彩色片的结构如图2-23所示。除保护层外，上层乳剂层称为感蓝层，是未经光学增感的盲色乳剂层，只对蓝色光谱段有感光作用。感蓝层乳剂中添加的成色剂经彩色显影后生成黄色染料，蓝色光谱段内的景物在感蓝层感光而呈现黄色的影像。非感光吸收层相当于黄色滤光片，目的是吸收通过感蓝层的短波光谱段的蓝光，防止进入中、下感光乳剂层引起曝光。中层乳剂层为感绿层，是正色感光乳剂。乳剂中添加的成色剂经彩色显影作用形成绿色的补色即品红色染料，因而中层乳剂层感受绿色光谱段中的景物而呈现出品红色影像。下层乳剂层称为感红层，是全色感光乳剂。全色感光剂对蓝色和红色光谱段感光能力强，而对绿色感受能力特别弱。外界景物中蓝色光谱段达不到下层，而下层又对绿色光谱段几乎不感光，剩下只有红色光谱段对感红层发生感光作用。感红层乳剂内添加的成色剂，在彩色显影后形成青色染料，使红色光谱段内的景物在感红层的影像呈现青色。综上所述，三层有色片曝光和彩色显影的表达式为：曝光后的卤化银乳剂层+彩色显影液金属银(黑色银像)+显影剂氧化物显影剂氧化物+成色剂染料(彩色影像)彩色染料附着在金属银粒子上，染色的深浅与金属银像的密度成正比，即黑度大的部分染色深些。此时反光观察负片是彩色的，透光观察，由于有银像的存在，仍为黑白色调影像。因此有色片显影后要经过漂白过程，从感光片上漂去银像，再经定影处理，溶去感光片上残余的卤化银，只保留染料的彩色影像。影像的彩色是所摄景物原有彩色的补色。有色片负片彩色成像示意图见图2-25。多层彩色正片的结构也同负片一样具有三层感光层。在正片印晒过程中，彩色负片可看成是补色滤光片的综合，起着类同于滤光片的作用。白光透过彩色负片时彩色影像的补色补吸收，透过的光线乃是景物原彩色的补色，对正片各乳剂层感光。同样由于成色剂的作用，正片上的影像乃是原景物补色的补色，也就是在正片上还原了原景物的彩色，如图2-26所示。彩色片所显示的色彩并不能完全正确地表达所摄景物的天然色。这是由于彩色感光材料乳剂层本身的缺陷、摄影处理的影响以及摄影条件等所致。此外彩色片的颜色在阳光的作用下久而久之也会退色。(四) 红外片和假彩色片在卤化银感光乳剂中添加光学增感剂使乳剂感光范围扩大到红外光谱区(700nm)，用这种乳剂制作的感光片称为红外黑白片。如在上述乳剂中再添加成色剂，使在曝光和彩色显影后获得某种染料的彩色影像，是为红外彩色片。在多层彩色片中用彩色红外乳剂涂成红外感光层与原色感光层配合使用，所获得的影像色彩将完全不同于原摄影物体的天然颜色，称为有色红外片。三层红外彩色片是由感绿层、感红层和感红外层组成，在正片上感绿层的绿色波段内景物呈蓝色影像，感红层的红色波段内景物呈绿色影像，而感红外的则呈红色影像，所以红外彩色片是以假的彩色来显示所摄景物的，称为假彩色片。作业：1、摄影物镜的焦距与摄影机主距有什么不同？2、摄影时如何利用景深和超焦点距离？3、什么是摄影机的内方位元素，有什么作用？4、什么叫做影像的光学黑度？5、试述黑白感光材料摄影独步一时的各步骤的目的。6、什么是原色，什么是补色？7、威特P31型摄影机f100，取模糊圆为0.05，光圈号数为8时，其无穷远起点是多少？又当调焦为25m时，景深是多少？8、用上述摄影机，所取光圈和模糊直径不变，当调焦物距为2.5m或7m时，试分别计算出这两种情况的景深。第三章航摄像片解析主要内容：航摄像片上的特殊点、线；透视旋转定律；摄影测量采用的坐标系；航摄像片的内、外方位元素；空间直角坐标的变换；倾斜误差及投影差。重点：摄影测量采用的坐标系；航摄像片的内、外方位元素；空间直角坐标变换。难点：空间直角坐标变换。学时安排：授课 8，实验 0。3-1航摄像片为中心投影投影：在画法几何中，采用一组假想的光线将物体的形状投射到一个面上技术(在该面上得到的图形也称为投影)。投影光线称为投影线。平行投影：假想的